文章编号：16742974(2014)06003508
收稿日期：20130716
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078296)
作者简介：郑 敏（1981-），女，浙江金华人，武汉大学讲师，博士
通讯联系人，E-mail:liangsg@public.wh.hb.cn
摘 要：提出一种基于可靠度约束的输电塔实用抗风优化设计方法.首先，识别出体系的失效模式并找出关键杆件同时提取各失效模式对应的安全余量方程，计算各失效模式的可靠指标.然后，对可靠度不满足的失效模式通过加强关键杆件的方法进行优化.最后，对各失效模式进行综合求出体系可靠指标，若体系可靠度满足要求则优化结束，若体系可靠度不满足则通过优化最小可靠指标的失效模式来提高体系可靠度直到满足为止.编制程序对塔架进行了若干个风速的优化，分析结果表明：1)在完整失效路径上存在关键的破坏杆件，对关键杆件进行优化可以有效地提高体系可靠度;2) 这是一种直接消除结构薄弱点的优化，优化效果好; 3)随优化风速的增大，优化的效率将变低;4)方法计算简单，结果合理.
关键词：输电塔；可靠指标；失效模式；优化
中图分类号：ＴＵ312 文献标识码：A
Study on the Reliabilitybased Wind Resistant
Optimization of Transmission Line Towers
ZHENG Min, LIANG Shuguo, XIONG Tiehua
(School of Civil and Architectural Engineering, Wuhan Univ, Wuhan, Hubei 430072，China),
Abstract:A practical design method was proposed for the reliabilitybased wind resistant optimization of transmission line towers. Firstly, the failure modes and their key elements were identified, and their safety margin equations were established. Second, the failure modes with a reliability index of less than the target reliability index were optimized by strengthening its key element. Lastly, the system reliability index was calculated, and the failure mode with the least reliability index would be optimized if the system reliability index was less than the target reliability. An optimization example of a tower under several wind speeds was given and the results show: 1) there were key elements in the whole failure path, and the structure would be well strengthened if the key element was strengthened;2) it was a method in which the weak points were eliminated directly to strengthen the whole structure and it was very effective; 3) as the wind speed increased, it would be less effective; and 4) the method was simple and its results were reasonable.
Key words: towers; reliability; failure modes; optimization
塔架结构广泛应用于广播、电视、通信、输电等领域，随着建筑规范的更新，已建的很多塔架已不能满足现行规范的要求，急需对其进行加固；在塔架设计中，为了更好地利用资源也存在优化的问题.格构式塔架的质量较一般高层建筑结构要轻得多，所以一般而言，风荷载对格构式塔架的影响更大，是格构式高耸结构的主要侧向荷载.由于塔架所受风荷载的复杂性以及塔线耦联效应的复杂性，以往塔架优化中所用的风荷载都是一些经验公式\[1-3\]，降低了优化结果的可靠性.结构设计中存在诸多不确定性，如材料强度不确定性、荷载不确定性等等，对其进行基于概率统计的可靠度分析更符合实际，是结构设计理论的研究方向.目前，基于可靠度的结构优化取得了一定的成果，不过大多数只是在构件的层次上\[4-8\]，认为各个构件同等重要, 这种处理对于静定结构当然没有问题，但对于高次超静定的塔架，把所有构件对结构的安全视为同等重要显然是不合理的，将造成材料的浪费.基于体系可靠度的结构优化设计\[9-11\]理论比较全面、合理, 但由于体系可靠度计算的复杂性提高了问题的难度，对于实际结构，通常要进行大量的计算，缺乏实用性.
针对目前输电塔优化存在的不足，本文主要从两方面作了改进.一方面，本文采用的风荷载为由完全气弹模型风洞试验处理得到的等效静力风荷载，更加符合实际.另一方面，由可靠度理论可知，体系可靠指标小于各种失效模式的可靠指标，且体系可靠指标对可靠指标小的失效模式更加敏感.本文提出一种计算量相对较少的可应用于工程实际的基于体系可靠度优化设计法.
1 等效静力风荷载
1.1 风洞试验
本次风洞试验模型为一个输电塔线体系完全气动弹性模型，依据相似理论进行设计.本次模型设计除了满足几何相似以外，还满足了气动弹性模型最重要的相似参数：Strouhal数相似、弗劳德数相似、弹性参数和惯性参数相似，气弹模型各相似比见表1.本次风洞试验模型的原型是呼高为75 m跨度为750 m的酒杯塔线体系，塔构件为不同截面尺寸的角钢.
考虑到该塔处于城市郊区，试验中利用塔尖和粗糙单元来模拟B类风场.本试验在西南交通大学XNJD3风洞进行，风洞截面尺寸22.5 m×4.5 m，试验段长度36 m,最高实验风速可达17 m/s.本次试验的采样频率为256 Hz,采样时间为2 min.本试验总共布置了8个激光位移测点.风洞试验照片以及风向、测点的布置如图1所示，测点所测位移方向垂直于纸面.
表1 输电塔的气弹模型相似比(n=1∶40)
Tab.1 The similar ratios